Dans une nouvelle étude, les chercheurs ont montré que l'utilisation d'ondes sonores pour faire léviter des gouttelettes d'eau dans les airs peut améliorer la détection de contaminants de métaux lourds nocifs tels que le plomb et le mercure dans l'eau. La détection de petites quantités de métaux lourds dans l'eau est importante car ces contaminants sont nocifs pour la santé humaine et l'environnement. La nouvelle technique pourrait éventuellement conduire à des instruments qui fonctionnent en temps réel, surveillance des contaminants sur place, ce qui pourrait aider à prévenir de futurs problèmes de contamination par le plomb comme le Flint, Michigan, crise de l'eau ou détecter les eaux usées contaminées des sites industriels.

"Malgré la grande variété de capteurs d'eau qui offrent une surveillance continue, la détection de plusieurs métaux lourds dissous dans l'eau ne peut être effectuée qu'en envoyant des échantillons pour analyse en laboratoire spécialisé, " a déclaré le chef de l'équipe de recherche Victor Contreras, de l'Instituto de Ciencias Físicas UNAM, Mexique. "Notre nouvelle technique est une étape vers le développement d'une approche d'analyse plus simple qui pourrait être appliquée sur site et en temps réel. Ce type d'analyse de l'eau pourrait être utilisé par les agriculteurs, pharmaceutique, purification de l'eau et d'autres industries pour surveiller l'eau pour les contaminants."

Dans la revue The Optical Society (OSA) Lettres d'optique , les chercheurs détaillent leur nouvelle approche, qui utilise une technique sensible connue sous le nom de spectroscopie de rupture induite par laser (LIBS) pour analyser les métaux lourds présents dans les gouttes d'eau en lévitation. La lévitation des gouttelettes d'eau permet à l'eau de s'évaporer dans une position contrôlée, ce qui augmente la concentration massique de contaminants dans l'échantillon et facilite l'analyse LIBS. Les chercheurs ont montré que leur nouvelle approche peut détecter de manière fiable de très faibles niveaux de métaux lourds comme le baryum, le cadmium et le mercure avec des temps d'analyse de quelques minutes seulement.

Utiliser LIBS sur les liquides

Les chercheurs ont utilisé LIBS car il offre un moyen rapide et simple d'identifier plusieurs éléments simultanément. LIBS fonctionne en focalisant une impulsion laser à haute énergie sur un échantillon, qui vaporise le matériau et génère un plasma. Parce que la lumière émise par le plasma contient les empreintes atomiques du matériau, il est possible d'identifier les composants chimiques de l'échantillon en analysant la lumière émise.

L'analyse LIBS sur des échantillons solides est un processus simple. En réalité, plusieurs appareils portatifs disponibles dans le commerce sont disponibles pour ce type d'analyse. Cependant, il est difficile d'utiliser cette méthode pour analyser directement les liquides car le plasma formé dans les liquides se refroidit plus rapidement et dure très peu de temps. En outre, produire un plasma sur une surface liquide produit des projections d'eau qui affectent directement la lecture de la spectroscopie.

Avec des échantillons liquides, créer un plasma qui fournit un bon signal pour la détection chimique nécessite des niveaux élevés d'énergie laser, qui ne peut être fourni que par encombrant, lasers non portables. Pour contourner ce problème, les échantillons liquides sont généralement analysés en plaçant une goutte sur un substrat et en attendant qu'il sèche afin de concentrer les éléments d'intérêt dans l'échantillon. Bien que le dépôt de l'échantillon sur un substrat soit assez simple, l'impulsion laser excite les atomes des éléments de l'échantillon ainsi que du substrat. Outre, l'évaporation de l'eau pourrait conduire à une répartition inhomogène des impuretés sur le substrat, compromettre la reproductibilité de son signal.

Au lieu de déposer les gouttelettes sur un substrat, les chercheurs ont utilisé des ondes sonores intenses pour faire léviter de simples gouttelettes d'eau. Les ondes sonores produisent une force suffisamment forte pour contrer la gravité, permettant à une gouttelette de planer sans support dans l'air.

"La lévitation acoustique est une méthode simple et peu coûteuse pour préconcentrer les éléments d'intérêt tout en évitant la contamination de la surface du substrat, " dit Contreras. " D'ailleurs, il ne nécessite pas que l'échantillon ait un type de réponse électrique ou magnétique comme certaines autres méthodes utilisées pour obtenir la lévitation. "

Analyse des gouttelettes

Dans le journal, les chercheurs ont montré que l'utilisation d'ondes acoustiques pour faire léviter une seule goutte d'eau leur permettait de détecter de très faibles concentrations de métaux lourds. Par exemple, ils ont détecté 0,7 milligramme par litre de cadmium et 0,2 milligramme par litre de baryum. Ils ont également montré que la technique de lévitation acoustique qu'ils ont utilisée est suffisamment stable pour une analyse LIBS reproductible.

"Cette technologie a le potentiel de détecter simultanément les métaux lourds et d'autres éléments dans l'eau de manière rapide et économique, " a déclaré Contreras. " Un analyseur en ligne basé sur notre technologie pourrait un jour aider à prévenir les catastrophes environnementales et contribuer à un meilleur contrôle de la qualité de l'eau. "

Les chercheurs travaillent maintenant à améliorer l'instrumentation. Par exemple, ils souhaitent optimiser la conception mécanique du piège acoustique pour obtenir des conditions de lévitation plus stables, ce qui améliorera la reproductibilité des lectures LIBS. Ils veulent également augmenter la sensibilité en faisant léviter de manière stable des gouttes plus petites, qui concentre davantage les contaminants. Il s'agit d'une étape clé vers la miniaturisation de l'appareil car elle permettra l'utilisation d'appareils moins sensibles, mais des détecteurs plus compacts.